Звук. Основні характеристики звукового поля. Поширення звуку

Рис. 1.2.  Звуковий тиск

 

Середовище, у якій поширюється звук, має питомий акустичний опір zA, що виміряється в Па·с/м (або в кг/(м2·с) і являє собою  відношення звукового тиску pзв до коливальної швидкості часток середовища u

                                              

                                                    (1.2)

де  з - швидкість звуку, м;

     r - щільність середовища, кг/м3.

Звукова хвиля є носієм енергії в напрямку свого руху. Кількість енергії, стерпною звуковою хвилею за одну секунду через перетин площею 1 м2, перпендикулярне   напрямку руху, називається інтенсивністю звуку. Інтенсивність звуку визначається відношенням звукового тиску до акустичного опору середовища Вт/м2 :

                                                                                                             (1.3)

Для сферичної хвилі від джерела звуку з потужністю W, Вт інтенсивність звуку на поверхні сфери радіуса r дорівнює

тобто інтенсивність сферичної хвилі убуває зі збільшенням відстані від джерела звуку. У випадку плоскої хвилі інтенсивність звуку не залежить від відстані.

 

1.4 Акустичне поле і його характеристики

 

Поверхня тіла, що робить коливання, є випромінювачем (джерелом) звукової енергії, що створює акустичне поле.

Акустичним полем називають область пружного середовища, що є засобом передачі акустичних хвиль. Акустичне поле характеризується:

• звуковим тиском pзвуковим
• акустическим сопротивлением   zА, Па*с/м.

Енергетичними характеристиками акустичного поля є:

• интенсивность I, Вт/м2;
• потужність звуку W, Вт – кількість енергії, що проходить за одиницю часу через охвативающую джерело звуку поверхня.

Важливу роль при формуванні акустичного поля грає характеристика спрямованості звукоизлучения Ф , тобто кутовий просторовий розподіл звукового тиску, що утвориться навколо джерела.

Всі перераховані величини взаимосвязани і залежать від властивостей середовища, у якій поширюється звук.

Якщо акустичне поле не обмежене поверхнею й поширюється практично нескінченно, то таке поле  називають вільним акустичним полем.

Процес формування звукового поля в приміщенні пов'язаний з явищами реверберації й дифузії. 

Якщо в приміщенні починає діяти джерело звуку, то в перший момент часу маємо тільки прямій звук. По досягненні хвилею звуковідбиваючої перешкоди картина поля міняється через появу відбитих хвиль. Якщо у звуковому полі помістити предмет, розміри якого малі в порівнянні з довжиною звукової хвилі, то практично не спостерігається перекручування звукового поля. Для ефективного відбиття необхідно, щоб розміри перешкоди, що відбиває, були більше або дорівнюють довжині звукової хвилі.

Звукове поле, у якому виникає велика кількість відбитих хвиль із різними напрямками, у результаті чого питома щільність звукової енергії однакова по всьому полю, називається дифузним полем.

Після припинення джерелом випромінювання звуку акустична інтенсивність звукового поля зменшується до нульового рівня за нескінченний час. Практично вважається, що звук повністю загасає, коли його інтенсивність падає в 106 разів від рівня, що існує  в момент його вимикання. Будь-яке звукове поле як елемент коливного середовища має власну характеристику загасання звуку – реверберацією ("послезвучание").

 

1.5 Рівні акустичних величин

Людина відчуває звук у широкому діапазоні звукових тисків pзвукових. 

Стандартним порогом чутності  називають ефективне значення звукового тиску (інтенсивності), создаваемого гармонійним коливанням із частотою f = 1000 Гц, чотирикорпусн чутною людиною із середньою чутливістю слуху.

Стандартному порогу чутності відповідає звуковий тиск po=2·10-5 Па або інтенсивність звуку Io=10-12 Вт/м2. Верхня межа звукових тисків, що відчуваються слуховим апаратом людини, обмежується болючим відчуттям і прийнятий рівним pmax = 20 Па й Imax= 1 Вт/м2.  

Величина слухового відчуття L   при перевищенні звуковим тиском  pзв стандартного порога чутності визначається за законом психофізики Вебера - Фехнера:

,

де  q - деяка постійна, залежна від умов проведення експерименту.

З урахуванням  психофізичного сприйняття звуку людиною  для характеристики значень звукового тиску pзв і інтенсивності I  були уведені логарифмічні величини  – рівні  L (з  відповідним  індексом),  виражені  в  безрозмірних одиницях – децибелах, дБ, названих на честь Грейма – Біле (збільшення інтенсивності звуку в 10 разів відповідає 1 Белу (Б) – 1Б = 10 дБ):  

                                   

                              (1.5, а)

                                                                                                (1.5, б)

Слід зазначити, що при нормальних атмосферних умовах Lp =LI . 

За аналогією були уведені також і рівні звукової потужності

                                                                                            (1.5, в)   

де W0 =I0·S0 =10-12Вт – гранична звукова потужність на частоті 1000 Гц,  

S0= 1м2.    

Безрозмірні величини Lp, LI, Lw досить просто виміряються приладами, тому їх корисно використовувати для визначення абсолютних значень p, I, W по зворотним до (2.5) залежностей :

                                              ,                                                  (1.6, а)

                                                ,                                                     (1.6, б) 

                                                                                                  (1.6, в)

Рівень суми декількох величин визначається по їхніх рівнях   Li, i = 1, 2, ..., n співвідношенням

де n - кількість величин, що складаються.

Якщо складаються уровни, щоМ (Li=L), то:

                                                 

                                                (1,8)

 

1.6 Виробничий шум, його джерела й характеристики

 

Поняття шум досить суб'єктивно. Усякий небажаний у цей момент звук (або звуки) людина сприймає як шум. Ті самі звуки різними людьми можуть сприйматися по-різному.

Фізіологи й гігієністи визначають шум як звук, оцінюваний негативно й шкода, що наносить, здоров'ю.

Машини й механізми, використовувані на виробництві, є джерелами звуків різної частоти й інтенсивності, що змінюються в часі. Тому виробничий шум розглядають, як сукупність звуків різної інтенсивності й частоти, що безладно змінюються в часі й зухвалих у працюючі неприємні суб'єктивні відчуття.

 

1.7 Характеристики й види виробничих шумів

 

Виробничий шум характеризується спектром, що складається зі звукових хвиль різних частот. 

При дослідженні шумів звичайно чутний діапазон 16 Гц - 20 кГц  розбивають на смуги частот і визначають звуковий тиск, інтенсивність або звукову потужність, що доводяться на кожну смугу.

Як правило, спектр шуму характеризується рівнями названих величин, розподіленими по октавних смугах частот.

Смуга частот, верхня границя якої перевищує нижню у два рази, тобто  f2 = 2 f1 , називається октавою.

Для більше детального дослідження шумів іноді використовуються третьеоктавние смуги частот, для яких

Таблиця 2.5 - Класифікація шумів

Спосіб  класифікації	Вид шуму	Характеристика шуму
По характері спектра шуму	широкополосние	Безперервний спектр шириною більше однієї октави
	тональні	У спектрі якого є явно виражені дискретні тони
По тимчасових характеристиках	постійні	Рівень звуку за 8 вартовий робочий день змінюється не більше ніж на 5 дБ(А)
	непостійні:   коливні в часі   переривчасті   імпульсні	Рівень звуку за 8 вартовий робочий день змінюється  більш ніж на 5 дБ(А) Рівень звуку безупинно змінюється в часі Рівень звуку змінюється східчасто не більше ніж на 5 дб(А), тривалість інтервалу 1з і більше Складаються з одного або декількох звукових сигналів, тривалість інтервалу менше 1з

 

Октавна або третьеоктавная смуга звичайно задається среднегеометрической частотою:

,

Існує стандартний ряд среднегеометрических частот октавних смуг, у яких розглядаються спектри шумів (fсг хв = 31,5 Гц,  fсг макс = 8000 Гц).

По частотній характеристиці розрізняють шуми:

• низькочастотні ( fсг < 250);
• cреднечастотние (250 < fсг <= 500);
• високочастотні (500 < fсг <= 8000).

Виробничі шуми мають різні  спектральні й тимчасові характеристики, які визначають  ступінь їхнього впливу на людину. По цих ознаках шуми підрозділяють на кілька видів.

 

1.8 Джерела виробничого шуму і їхньої характеристики

По природі виникнення шуми машин або агрегатів діляться на:

• механические,
• аэродинамические и   гидродинамические,  
• электромагнитние.

При роботі різних механізмів, агрегатів, устаткування одночасно можуть виникати шуми різної природи.

Будь-яке джерело шуму характеризується, насамперед, звуковою потужністю. 

Звукова потужність джерела W, Вт – це загальна кількість звукової енергії, випромінюваної джерелом шуму в навколишній простір.

Якщо оточити джерело шуму замкнутою поверхнею площею S, то звукова потужність джерела:

де I(S), P(S) – закони розподілу інтенсивності звуку й звукового тиску по поверхні S.  

Для характеристики джерела шуму використовується також рівень звукової потужності   LW, дБ:

де W0 =I0 · S0 =  P02 · S0/r c  = 10-12Вт – гранична звукова потужність на частоті 1000  Гц, I0 =10-12Вт/м2, S0 = 1 м2.

Для визначення рівня звукової потужності джерела на деякому однаковому від нього відстані  r  в n крапках вимірюють рівень звукового тиску PI   і обчислюють:

                                                 

                                              (1.9)

де   S  - площа сфери радіусом r (якщо джерело розташоване на підлозі приміщення, то площа півсфери), 

Оскільки джерела виробничого шуму, як правило, випромінюють звуки різної частоти й інтенсивності, те повну шумову характеристику  джерела дає шумовий спектр - розподіл звукової потужності (або рівня звукової потужності) по октавних смугах частот.

Джерела шуму часто випромінюють звукову енергію нерівномірно по напрямках. Ця нерівномірність випромінювання характеризується коефіцієнтом Ф(j) - фактором спрямованості.

Фактор спрямованості  Ф(j) показує відношення інтенсивності звуку I(j), створюваного джерелом у напрямку з кутовою координатою j  до інтенсивності Iср, що розвив би в цій же крапці ненаправлене джерело, що має ту ж звукову потужність і випромінюючий звук в усі сторони рівномірно        

де  рср - звуковий тиск (усереднене в усіх напрямках на постійній відстані від джерела); p (j ) - звуковий тиск у кутовому напрямку j, обмірюване на тім же відстані від джерела.  

Характеристику спрямованості випромінювання можна описати через відповідні рівні в дБ:

             

         (1.10)

Стандартними шумовими характеристиками, які вказуються в прикладеній до машини технічної документації, є: 

• рівні звукової потужності , дБ в октавних полосах частот; 
• корегований по шкалі A рівень звукової потужності  LWА , дБА:

 

                                                                                               (1.11)

                                                         ,